KR102075802B1 - 가공성이 우수한 고강도 편상 흑연 주철 및 그 제조방법 - Google Patents

가공성이 우수한 고강도 편상 흑연 주철 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고가공성 편상 흑연 주철 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주철 내 포함된 망간(Mn)과 황(S) 그리고 탄소(C)와 실리콘(Si)의 함량, 탄소 당량(CE)을 각각 특정 비율로 제어함으로써, 흑연 형상이 균일하고, 칠(Chill) 형성 가능성이 낮으며, 인장강도가 350 MPa 이상의 고강도와 가공성 및 유동성이 우수한 편상 흑연 주철 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

가공성이 우수한 고강도 편상 흑연 주철 및 그 제조방법 {HIGH STRENGTH FLAKE GRAPHITE IRON HAVING EXCELLENT WORKABILITY AND PREPARATION METHOD}
본 발명은 가공성이 우수한 고강도 편상 흑연 주철 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주철 내 포함된 망간(Mn)과 황(S)의 함량비(Mn/S), 상기 망간과 황의 함량비(Mn/S)와 탄소와 규소의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)], 및 탄소 당량(CE)을 각각 특정 비율로 제어함으로써, 흑연 형상이 균일하고, 칠(chill) 형성 가능성이 낮으며, 인장강도가 350 MPa 이상의 고강도이면서 가공성이 우수한 편상 흑연 주철 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경규제의 강화로 인하여 엔진에서 배출되는 환경 오염물질의 함량을 줄이는 것이 반드시 필요하며, 이를 해결하기 위해서는 엔진의 폭발 압력을 높여 연소온도를 상승시키는 것이 필요하다. 이와 같이 엔진의 폭발압력을 높였을 때, 폭발압력을 견디기 위해서는 엔진을 구성하고 있는 엔진 실린더 블록 및 헤드의 강도가 높아져야만 한다.
현재 엔진 실린더 블록 및 헤드 소재로 사용되는 소재는 크롬(Cr), 구리(Cu), 주석(Sn) 등의 합금철이 미량 첨가된 편상 흑연 주철이다. 이러한 편상 흑연 주철은 열전도율, 진동 감쇄능이 우수하고, 합금철이 미량 첨가되었기 때문에 칠(Chill)화 가능성이 낮을 뿐만 아니라 주조성 또한 우수하다. 그러나 인장강도가 150~250 MPa 정도이므로, 180 bar를 초과하는 폭발 압력이 요구되는 엔진 실린더 블록 및 헤드 용도로 사용하는 것에는 한계가 있었다.
한편 180 bar를 초과하는 폭발 압력에 견디기 위한 엔진 실린더 블록 및 헤드 소재는 인장강도가 300 MPa 정도의 고강도화가 요구된다. 이를 위해서는 구리(Cu), 주석(Sn) 등의 펄라이트 안정화 원소나, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 탄화물 생성 촉진 원소를 추가로 첨가하여야 하나, 이러한 합금철의 첨가는 칠(Chill)화 경향을 잠재적으로 내포하고 있기 때문에, 복잡한 형상을 갖는 엔진 실린더 블록 및 헤드의 박육부와 같은 부분에 칠(Chill)이 발생할 가능성을 가중시키는 문제점이 있다. 칠(Chill)이 많이 발생할 경우 소재의 취성(脆性)이 높아져 충격에 취약하게 되며 기계적 성질을 저하하는 문제가 발생하고 가공성이 저하되는 문제가 있다.
최근에는 편상 흑연 주철의 우수한 주조성, 진동 감쇄능 및 열전도율을 가지면서, 이와 동시에 300MPa 이상의 높은 인장강도를 모두 만족하는 CGI(compacted graphite iron) 주철이 폭발압이 높은 엔진 실린더 블록 및 헤드 소재로 적용되고 있다. 인장 강도 300MPa 이상의 CGI 주철을 만들기 위해서는 황(S)과 인(P)과 같은 불순물의 함량이 낮은 고급 선철 및 용해재료를 사용해야 하며, 흑연 구상화 원소인 마그네슘(Mg)의 정밀 제어가 필요하다. 그러나 마그네슘(Mg)의 제어가 힘들고, 또한 출탕온도, 출탕속도 등 용해 및 주조 조건변화에 매우 민감하기 때문에, CGI 주철의 재질 불량 및 주조 불량이 발생할 가능성이 높으며, 제조 원가가 상승하는 문제점이 있다.
또한, CGI 주철은 편상 흑연 주철보다 상대적으로 가공성이 나쁘기 때문에, CGI 주철을 이용하여 엔진 실린더 블록 및 헤드 제조 시, 기존의 편상 흑연 주철 전용 가공 라인에서 가공을 하지 못하고, CGI 주철 전용 가공 라인으로의 변경이 반드시 필요하다. 따라서 막대한 설비투자 비용 발생에 대한 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주철의 5대 원소인 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)에 합금원소를 첨가하되, 탄소 당량(CE), 망간과 황의 함량비(Mn/S), 뿐만 아니라 망간과 황의 함량비(Mn/S)와 탄소와 규소의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)]를 동시에 특정 범위로 제어함으로써, 고강도와 우수한 가공성을 동시에 갖는 편상 흑연 주철 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 전술한 특정 함량비로 제어되어 안정적인 물성과 조직을 가지는 주철을 제공하는데 그 목적이 있으며, 특히 형상이 복잡한 중대형 엔진 실린더 블록 및/또는 중대형 엔진 실린더 헤드에 적용 가능한 편상 흑연 주철을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전체 중량%로서, 탄소(C) 3.05~3.25%, 규소(Si) 2.1~2.4%, 망간(Mn) 0.6~3.4%, 황(S) 0.09~0.13%, 인(P) 0.04% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4% 및 100%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 상기 망간(Mn) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(Mn/S)가 7~28 범위이며, 상기 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)]가 5~18 범위이며, 탄소 당량(CE: Carbon Equivalent)이 3.8~4.0 범위인 화학 조성을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철을 제공한다.
또한 본 발명의 바람직한 다른 일례에 따르면, 상기 편상 흑연 주철의 인장강도(Tensile Strength)는 350 MPa 이상인 것이 가능하다.
한편 본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 편상 흑연 주철은 가공성 시험편의 가공성 평가시, 공구 tip의 마모를 나타내는 VBmax값이 0.45일 때의 가공 길이가 6m 이상인 것이 가능하다. 또한 상기 편상 흑연 주철은 쐐기 시험편의 칠(Chill) 깊이가 3mm 이하인 것이 가능하다.
아울러, 본 발명은 전술한 고가공성 편상 흑연 주철의 제조방법을 제공한다.
보다 구체적으로, 상기 제조방법은 (i) 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.05~3.25%, 규소(Si) 2.1~2.4%, 망간(Mn) 0.6~3.4%, 황(S) 0.09~0.13%, 인(P) 0.04% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4%, 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 용탕을 제조하되, 상기 망간(Mn) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(Mn/S)가 7~28 범위이고, 상기 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)]가 5~18 범위이며, 탄소 당량(CE)이 3.8~4.0 범위가 되도록 주철 용탕의 화학 조성을 조절하는 단계; 및 (ⅱ) 상기 제조된 주철 용탕을 레들에 출탕하여 준비된 주형에 주입하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일례에 따르면, 상기 단계 (i)의 주철 용탕은, 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.05~3.25%, 규소(Si) 2.1~2.4%, 망간(Mn) 0.6~3.4%, 황(S) 0.09~0.13%, 인(P) 0.04% 이하, 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 재료를 용광로에서 용융하여 제조된 주철 용탕에, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 및 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4%를 첨가하여 제조되는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 바람직한 다른 일례에 따르면, 상기 단계 (ⅱ)는 Fe-Si계 접종제를 1회 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 상기 Fe-Si계 접종제는 주철 용탕을 레들에 출탕시, 준비된 주형에 용탕을 주입시, 또는 이들 단계 모두에 첨가하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 탄소 당량(CE), 망간(Mn)과 황(S)의 첨가량의 비(Mn/S), 및 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비 간의 비율[(Mn/S)/(C/Si)]에 따라 인장강도, chill 깊이 및 가공성이 달라질 수 있는데, 형상이 복잡한 부품에 적용하기 위해서는 탄소 당량(CE)이 3.8~4.0이고, Mn/S 비가 7~28 범위이며 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비 간의 비율[(Mn/S)/(C/Si)]이 5~18 범위가 동시에 만족되도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 주철에 첨가되는 탄소(C)와 실리콘(Si)의 함량, 망간(Mn)과 황(S)의 첨가량, 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비 간의 비율[(Mn/S)/(C/Si)], 및 탄소 당량(CE)을 정밀하게 제어함으로써, 350 MPa 이상의 높은 인장강도와 가공성이 우수한 편상 흑연 주철을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철의 제조 공정의 일례를 간략히 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 칠(Chill) 깊이를 측정하기 위한 쐐기 시편을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 가공성 측정용 시편을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 가공성 평가 결과를 나타낸 것이다.
이하, 구체적인 예시를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 주철의 성분으로 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo)을 사용하되, 주철 내 망간(Mn)과 황(S)의 함량비(Mn/S)와 상기 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)], 및 탄소 당량(CE)를 각각 특정 범위로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 특정 함량비로 조절되면, 망간(Mn)은 주철 내 황(S)과 각각 반응하여 MnS 황화물을 형성하고, 형성된 MnS는 편상 흑연이 성장할 수 있는 강력한 핵 생성 사이트 역할을 하기 때문에, 반응칠(Chill)화를 억제하고 건전한 A형 편상 흑연의 성장 및 정출을 보조하여 고강도와 우수한 가공성을 동시에 도모할 수 있다.
이때 탄소 당량(CE), 망간과 황의 함량비(Mn/S), 및 상기 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)]는 인장강도가 350 MPa 이상이면서 가공성이 우수한 고강도 편상 흑연 주철을 제조하는데 가장 중요한 인자이다. 따라서 본 발명의 편상 흑연 주철은 하기에 예시되는 제조방법 및 해당 화학조성으로 한정하는 것이 필요하다.
이하, 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 화학조성 및 상기 편상 흑연 주철의 제조방법에 대해 설명한다. 여기서, 각 원소의 첨가량은 중량%이며, 이하 내용에서는 단순히 %로 표시한다.
<편상 흑연 주철>
본 발명에 따른 고강도 및 고가공성 편상 흑연 주철은, 전체 중량%로서, 탄소(C) 3.05~3.25%, 규소(Si) 2.1~2.4%, 망간(Mn) 0.6~3.4%, 황(S) 0.09~0.13%, 인(P) 0.04% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4% 및 100%를 만족시키는 잔량의 철(Fe)을 포함하며, 상기 망간(Mn) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(Mn/S)가 7~28 범위이며, 상기 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)]가 5~18 범위이며, 탄소 당량(CE)이 3.8~4.0 범위의 화학 조성을 지닌다.
본 발명에서 상기 편상 흑연 주철에 함유된 각 성분의 첨가 이유 및 첨가된 함량의 범위를 한정하는 이유는 다음과 같다.
1) 탄소(C) 3.05~3.25%
탄소는 건전한 편상 흑연을 정출시키는 원소이다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 탄소(C) 함량이 3.05% 미만이면, 건전하지 못한 편상 흑연인 D+E형 흑연이 정출하여 Chill 발생 확률이 높고, 가공성 저하가 초래된다. 또한 탄소(C) 함량이 3.25% 를 초과하면, 편상 흑연의 과다 정출에 따라 페라이트(ferrite) 조직이 형성되어 인장강도가 저하되기 때문에 고강성 편상 흑연 주철을 얻을 수 없다. 따라서 본 발명에서는 탄소(C)의 함량을 3.05~3.25%로 한정하는 것이 바람직하다.
2) 실리콘(Si) 2.1~2.4%
실리콘(Si)은 탄소와 최적 비율로 첨가될 경우 편상 흑연 정출량을 극대화 할 수 있으며, Chill 발생을 저하시키고 강도를 증가시킨다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 실리콘(Si) 함량이 2.1% 미만이면, 칠(Chill) 형성에 따른 가공성 저하를 야기시키게 되고, 그 함량이 2.3%를 초과하면 편상 흑연의 과다 정출로 인한 인장 강도 저하로 인해 고강성 편상 흑연 주철을 얻을 수 없다. 따라서 본 발명에서는 실리콘(Si)의 함량을 2.1~2.3% 로 한정하는 것이 바람직하다.
3) 망간(Mn) 0.6~3.4%
망간(Mn)은 펄라이트 내의 층간 간격을 조밀하게 하여 편상 흑연 주철의 기지를 강화시키는 원소이다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서 망간(Mn) 함량이 0.6% 미만이면, 인장강도 350MPa 이상을 얻기 위한 기지 강화에는 큰 영향을 미치지 못하기 때문에 고강성 편상 흑연 주철을 얻기가 힘들고, 망간(Mn) 함량이 3.4%를 초과하면, 기지 강화 효과 보다는 탄화물 안정화 효과가 크기 때문에 인장강도는 상승하지만, Chill 화 경향이 증가하여 가공성 저하가 초래된다. 따라서 본 발명에서는 망간(Mn)의 함량을 0.6~3.4%로 한정하는 것이 바람직하다.
4) 황(S) 0.09~0.13%
황(S)은 용탕에 포함되어 있는 미량 원소와 반응하여 황화물을 형성하는데, 이러한 황화물은 편상 흑연의 핵 생성 사이트 역할을 하여 편상 흑연의 성장을 보조하는 역할을 한다. 본 발명에 따른 편상 흑연 주철에서, 황(S)의 함량은 0.09% 이상이어야 고강도 편상 흑연 주철을 제조할 수 있다. 또한 황(S) 함량이 0.13%를 초과하면 황(S)의 편석으로 인하여 재료의 인장강도가 저하되고 취성이 증가하기 때문에, 본 발명에 따른 황(S)의 함량은 0.09~0.13%로 한정하는 것이 바람직하다.
5) 인(P) 0.04% 이하
인은 공기 중에서의 주철 제조공정에서 자연적으로 첨가되는 불순물의 일종이기도 하다. 이러한 인(P)은 펄라이트를 안정화하고, 용탕에 포함되어 있는 미량 원소와 반응하여 인화물(스테다이트)을 형성하여 기지강화 및 내마모성을 향상시키는 역할을 하나, 상기 인(P)의 함량이 0.06%를 초과하면 취성이 급격히 증가하게 된다. 따라서 본 발명에서는 인(P)의 함량을 0.04% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 이때 인(P) 함량의 하한치는 0 % 초과일 수 있으며, 특별히 한정할 필요는 없다.
6) 구리(Cu) 0.6~0.8%
구리(Cu)는 편상 흑연 주철의 기지 강화 원소로서, 펄라이트 생성을 촉진시키고 미세화시키는 작용을 하기 때문에 강도 확보를 위해 필요한 원소이다. 본 발명에 따른 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철에서 구리(Cu)의 함량이 0.6% 미만이면 인장 강도의 부족을 초래하지만, 그 첨가량이 0.8%를 초과하더라도 그 초과분에 해당하는 첨가 효과가 거의 없어 재료비 상승의 문제점이 있다. 따라서 본 발명에서는 구리(Cu)의 함량을 0.6~0.8%로 한정하는 것이 바람직하다.
7) 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4%
몰리브덴(Mo)은 편상 흑연 주철의 기지를 강화시키고, 이에 따라 재료의 강도를 향상시키고, 또한 고온에서의 강도를 향상시키는 원소이다. 본 발명에 따른 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철에서 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.2% 미만이면 본 발명에서 요구하는 인장강도를 얻기가 힘들 뿐만 아니라, 폭발압력이 220bar 이상으로 상승할 때 동작온도가 높은 엔진 실린더 블록 및 헤드에 적용하기 위한 고온 인장강도의 부족이 초래된다. 반면 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.4%를 초과하면, 고온에서 기지 강화효과가 커져 인장강도는 소량 상승할 수 있으나 Mo 탄화물이 생성되기 때문에 가공성이 현저하게 저하하게 되며, 재료비 상승의 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 몰리브덴(Mo)의 함량을 0.2~0.4%로 한정하는 것이 바람직하다.
8) 철(Fe)
철은 본 발명에 따른 주철의 주재이다. 상기 성분 이외의 잔량의 성분은 철(Fe)이며, 그 외 불가피한 불순물이 일부 포함될 수 있다.
본 발명에서는 편상 흑연 주철의 화학조성을 상기와 같이 한정함과 동시에, 상기 탄소 당량을 3.8~4.0 범위로 조절하고, 상기 망간과 황의 함량비(Mn/S)를 7~28 범위로 조절하며, 추가로 상기 망간과 황의 함량비(Mn/S)와 탄소와 규소의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)]를 5~18 범위로 동시에 조절한다. 이를 통해, 고강도 편상 흑연 주철 제조를 위해 기지 강화 및 탄화물 안정화 원소인 망간(Mn)을 다량 첨가하더라도 흑연 형상이 균일하고, Chill화를 감소시키기 때문에 인장강도가 350MPa 이상이면서, Chill화가 감소되고 가공성이 우수한 고강도 편상 흑연 주철을 얻을 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 전술한 화학조성을 가진 편상 흑연 주철의 인장강도(Tensile Strength)는 350MPa 이상이며, 바람직하게는 350 내지 380 MPa 범위일 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 화학조성을 가진 편상 흑연 주철을 적용한 쐐기 시험편의 Chill 깊이는 3mm 이하이다. 이때 칠(chill) 깊이를 측정하는 쐐기 시험편은 하기 도 2와 같이 도시될 수 있다.
또한 본 발명의 일례에 따르면, 상기 화학조성을 가진 편상 흑연 주철을 적용한 가공성 평가 시험편을 가공 시, 마모도인 VBmax가 0.45일 때 가공 길이는 6m 이상인 것이 가능하며, 바람직하게는 6 m 내지 11m 일 수 있다. 이때 가공성 평가 시험편은 하기 도 3과 같이 도시될 수 있으며, 상기 가공성 평가 시험편에서 가공길이의 상한치는 특별한 제한이 없다.
<편상 흑연 주철의 제조방법>
전술한 화학조성을 가진 본 발명의 고강도, 고가공성 편상 흑연 주철의 제조방법은 하기와 같다. 그러나 하기 제조방법에 의해서만 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용되어 수행될 수 있다.
도 1을 참조하여 설명하면, 먼저 1) 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.05~3.25%, 규소(Si) 2.1~2.4%, 망간(Mn) 0.6~3.4%, 황(S) 0.09~0.13%, 인(P) 0.04% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4%, 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 주철 용탕을 제조한다.
본 발명에 따른 주철 용탕을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 일례로 주철의 5대 원소인 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)이 전술한 함량 범위로 함유된 주철 재료를 용광로에서 용융하여 주철 용탕을 제조하고, 여기에 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 등의 합금철을 첨가하여 전술한 화학조성이 되도록 주철 용탕을 준비한다.
여기서, 인(P)은 주조를 하기 위한 원재료에 불순물로 포함될 수 있으며, 또는 별도로 첨가할 수도 있다. 한편, 본 발명에서 상기 용탕 중의 화학조성의 한정이유는 후술하는 편상 흑연 주철의 화학조성의 경우에서 기술하는 이유와 동일하므로, 이에 관한 설명은 생략한다.
이때 중요한 점은, 본 발명에 따른 편상 흑연 주철의 화학조성을 상기와 같이 한정함과 동시에, 상기 망간(Mn) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(Mn/S)를 7~28 범위로 조절하고, 상기 망간과 황의 함량비와 탄소와 실리콘의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)]를 5~18 범위로 조절하면서, 상기 편상 흑연 주철의 탄소 당량(CE : Carbon Equivalent)은 CE=%C+%Si/3의 방법으로 계산하였을 때, 3.8~4.0 범위로 한정할 필요가 있다는 것이다.
본 발명에서, 상기 Mn/S의 비가 7 미만이면 인장강도의 저하가 초래되고, Mn/S의 비가 28을 초과하면 가공성이 저하될 수 있다. 또한 상기 Mn/S에 대한 C/Si의 비가 높으면 편상 흑연이 쉽게 생성되고 반응칠이 억제되지만 인장강도가 저하되고, 반대로 상기 Mn/S에 대한 C/Si의 비가 너무 낮으면 인장강도는 향상되나 편상 흑연이 잘 생성되지 않고 반응칠이 증가하게 된다. 아울러, 상기 탄소 당량(CE)이 3.8 미만인 경우에는 주조불량 및 가공성의 저하가 초래되며, 상기 탄소 당량(CE)이 4.0을 초과하면 공정 흑연의 과도한 정출로 인해 인장강도가 저하된다. 따라서 Mn/S 비, [(Mn/S)/(C/Si)] 비 및 탄소 당량(CE)을 상기와 같이 한정함으로써, 고강도 편상 흑연 주철 제조를 위해 기지 강화 및 탄화물 안정화 원소인 망간(Mn)을 다량 첨가하더라도 A형 혹은 A+D형의 편상 흑연을 얻을 수 있고, Chill화를 감소시키기 때문에 인장강도가 350MPa 이상이면서, Chill화가 감소되고 가공성이 우수한 고강도 편상 흑연 주철을 얻을 수 있다.
상기와 같이 제조된 주철 용탕은 탄소 당량 측정기, 탄소/황 분석기 및 분광분석기를 이용하여 용탕의 성분 분석을 완료한다.
2) 이후 상기 주철 용탕을 출탕하기 위한 용기인 래들(ladle)에 출탕하고 이후 준비된 주형에 주입하는데, 이때 Fe-Si계 접종제를 적어도 1회 이상 첨가할 수 있다.
상기 단계의 바람직한 일례를 들면, 고강도 편상 흑연 주철의 재질의 안정화 측면에서 먼저 출탕과 동시에 Fe-Si계 접종제를 첨가하고(1차 접종처리), 다음으로 주입과 동시에 Fe-Si계 접종제를 첨가한다(2차 접종처리). 이때 투입되는 접종제의 크기는 직경 0.5~3mm 범위일 수 있으며, 고강도 편상 흑연 주철의 재질 안정화 효과를 얻기 위한 레들 출탕시 접종제의 투입량은 중량비(%)로 0.3±0.05%로 한정하는 것이 바람직하다.
출탕이 완료된 레들의 용탕 온도를 침적식 타입의 온도계를 사용하여 측정하고, 온도를 측정한 후 준비된 주형틀에 용탕을 주입한다. 몰드 주입 시 접종제의 투입량은 중량비(%)로 0.3±0.05%로 한정하는 것이 바람직하다. 이러한 공정을 통하여 엔진 실린더 블록 및 헤드용 고강도 편상 흑연 주철의 제조를 완성한다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 고강도 및 고가공성 편상 흑연 주철은, 인장강도가 350MPa 이상의 편상 흑연 주철보다 상대적으로 Chill 경향이 낮으며 우수한 가공성을 나타낸다. 또한 망간(Mn)을 다량 첨가하더라도, 칠(Chill)화 경향이 낮다. 따라서 형상이 복잡한 엔진 실린더 블록, 엔진 실린더 헤드 또는 이들 모두에 적용하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시된 것으로, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 안되며, 본 발명의 사상을 일탈하지 않고 하기의 실시예들로부터 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
[ 실시예 1-5 및 비교예 1-6]
하기 표 1의 조성에 따라 실시예 1~5 및 비교예 1~6에 의한 편상 흑연 주철을 제조하였다.
구분 C Si Mn P S Cu Mo Mn/S (Mn/S)/(C/Si)
실시예1 3.16 2.23 1.511 0.034 0.127 0.768 0.375 11.90 8.40
실시예2 3.06 2.30 1.486 0.036 0.126 0.759 0.376 11.79 9.13
실시예3 3.25 2.1 2.52 0.030 0.09 0.672 0.343 28 18
실시예4 3.23 2.305 0.679 0.024 0.097 0.696 0.205 7 5
실시예5 3.09 2.29 1.479 0.034 0.128 0.738 0.298 11.55 8.56
비교예1 3.23 2.12 0.7 0.028 0.118 0.65 0.201 5.93 3.89
비교예2 3.23 2.1 1.013 0.031 0.15 0.605 0.4 6.75 4.39
비교예3 3.25 2.4 3.4 0.028 0.13 0.734 0.35 26.15 19.31
비교예4 3.25 2.1 0.6 0.028 0.13 0.64 0.275 4.62 2.98
비교예5 3.05 2.1 3.4 0.031 0.09 0.63 0.21 37.78 26.01
비교예6 3.1 2.8 1.4 0.2 0.13 - - 10.77 9.73
먼저 표 1의 조성에 따라 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P)이 함유된 원탕을 준비하였다. 인(P)의 경우 별도로 첨가하지 않고, 주조를 하기 위한 원재료에 포함된 불순물로 사용하되, 단지 그 함량이 0.04% 이하가 되도록 조절하였다.
출탕 전에 탄소 당량 측정기를 이용하여 탄소 당량(CE)을 측정하여 탄소(C)의 함량을 3.05~3.25%로 조절하고, 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn) 등의 합금철을 상기 표 1과 같은 조성으로 조절하였다. 이때 출탕과 동시에 Fe-Si 계 접종제를 투입하여 1차 접종을 실시하였다. 레들에 출탕을 완료한 후 용탕의 온도를 측정하고, 준비된 주형에 용탕을 주입하였다. 이때 주입과 동시에 Fe-Si 계 접종제를 투입하여 2차 접종을 실시함으로써 엔진 실린더 블록 및 헤드용 편상 흑연 주철 제품을 제조하였다.
상기 표 1의 조성에 따라 제조된 실시예 1~5 및 비교예 1~6 주철의 탄소 당량, 인장강도, 가공 길이, Chill 깊이를 각각 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
구분 탄소 당량
(C.E.)		 인장강도
(MPa)		 Chill
(mm)		 가공길이
(m)		 흑연 형태
실시예1 3.90 356 0 10.5 A
실시예2 3.85 375 1 8.7 A+D
실시예3 3.95 380 3 6.3 A
실시예4 4.00 377 2 7.4 A
실시예5 3.85 351 0 11.3 A+D
비교예1 3.94 308 5 5.5 A
비교예2 3.93 313 5 5.7 A+E
비교예3 4.05 345 6 4.9 A+E
비교예4 3.95 307 3 6.1 A
비교예5 3.75 380 7 4.5 E
비교예6 4.03 260 4 5.9 A
상기 표 2에서 보는 바와 같이, Mn/S 비가 7~28 범위이고, [(Mn/S)/(C/Si)] 비가 5~18 범위이고, 탄소 당량(CE)이 3.8~4.0 범위로 조절된 실시예 1~5에 따른 주철의 인장강도는 350 MPa 이상이며, 가공 길이는 6~11 m 범위인 것을 알 수 있었다. 또한 Chill 깊이가 3mm 이하인 것을 알 수 있었다.
참고로, 비교예 1~2는 실시예 1~5의 조성의 함량 및 제조 과정은 동일하나, Mn/S 비와 망간과 황의 함량비와 탄소와 실리콘의 함량비 간의 비 [(Mn/S)/(C/Si)] 모두가 본 발명의 조성 범위에 벗어난 예이다.
비교예 3는 실시예 1~5 조성의 함량 및 제조 과정은 동일하나, 탄소와 실리콘의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)]와 탄소 당량(CE)이 본 발명의 조성 범위에서 벗어난 예이다.
비교예 4~5는 망간과 황의 함량비(Mn/S)와 망간과 황의 함량비와 탄소와 실리콘의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)] 모두가 본 발명의 조성 범위에서 벗어난 예이다. 특히, 비교예 4는 Mn/S가 본 발명의 조성 범위에서 크게 벗어난 것이며, 비교예 5는 탄소 당량(CE)값이 본 발명의 범위에 미치지 못하는 예이다.
비교예 6은 망간과 황의 함량비(Mn/S)와 망간과 황의 함량비와 탄소와 실리콘의 함량비 간의 비[(Mn/S)/(C/Si)]는 본 발명의 조성 범위에 해당되나, 탄소 당량(CE)이 본 발명의 범위를 벗어난 예이다.
결과적으로, 본 발명에 따른 고강도 편상 흑연 주철은 안정적인 인장강도, Chill 깊이와 가공성을 모두 가지고 있기 때문에, 인장강도 350 MPa 이상의 고강도와 우수한 가공성을 요구하는 복잡한 형상을 가지는 주물품에 유용하게 적용할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 전체 중량%로서, 탄소(C) 3.05~3.25%, 규소(Si) 2.1~2.4%, 망간(Mn) 0.6~3.4%, 황(S) 0.09~0.13%, 인(P) 0.04% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4%, 100%를 만족시키는 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하며,
    상기 망간(Mn) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(Mn/S)가 7~28 범위이며,
    상기 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비((Mn/S)/(C/Si))가 5~18 범위이며,
    탄소 당량(CE: Carbon Equivalent)이 3.8~4.0 범위인 화학 조성을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  2. 제1항에 있어서, 인장강도(Tensile Strength)가 350 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  3. 제1항에 있어서, 가공성 시험편의 가공성 평가 시, VBmax가 0.45인 경우의 가공 길이가 6m 이상인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  4. 제1항에 있어서, 쐐기 시험편의 칠(Chill) 깊이가 3mm 이하인 것을 특징으로 하는 편상 흑연 주철.
  5. (i) 전체 중량%에 대하여 탄소(C) 3.05~3.25%, 규소(Si) 2.1~2.4%, 망간(Mn) 0.6~3.4%, 황(S) 0.09~0.13%, 인(P) 0.04% 이하, 구리(Cu) 0.6~0.8%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4%, 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 주철 용탕을 제조하되, 상기 망간(Mn) 함량의 상기 황(S) 함량에 대한 비(Mn/S)가 7~28 범위이고, 상기 망간과 황의 함량비와 탄소와 규소의 함량비((Mn/S)/(C/Si))가 5~18 범위이며, 탄소 당량(CE)이 3.8~4.0 범위가 되도록 주철 용탕의 화학 조성을 조절하는 단계; 및
    (ⅱ) 상기 제조된 주철 용탕을 레들에 출탕하여 준비된 주형에 주입하는 단계
    를 포함하는 고가공성 편상 흑연 주철의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (i)은, 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 황(S), 인(P), 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 주철 재료를 용광로에서 용융하여 제조된 주철 용탕에, 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo)을 첨가하여, 당해 단계 (i)에 기재된 소정의 화학조성을 갖는 주철 용탕을 제조하는 것을 특징으로 하는 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 단계 (ⅱ)는 Fe-Si계 접종제를 1회 이상 첨가하는 것을 특징으로 하는 고가공성 편상 흑연 주철의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 Fe-Si계 접종제는 주철 용탕을 레들에 출탕시, 주형에 용탕을 주입시, 또는 이들 단계 모두에 첨가되는 것을 특징으로 하는 고강도 편상 흑연 주철의 제조방법.
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